【導(dǎo)讀】隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛。步進(jìn)電機(jī)是用電脈沖信。并且用其組成的開環(huán)系統(tǒng)即簡單，廉價(jià)，又非?？尚校虼嗽诖蛴C(jī)等辦公。自動(dòng)化設(shè)備以及各種控制裝置等眾多領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。在文革期間，全國各地都大量生產(chǎn)和應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)，而且都在各個(gè)行業(yè)里使用，其中半導(dǎo)體器件的驅(qū)動(dòng)電路器件都是國產(chǎn)。到80年代，各種混合式步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器作為產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用。是交通工具，還是家電，大多都會(huì)與電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)有關(guān)。它可以通過開路控制，達(dá)到準(zhǔn)確定位和調(diào)速的目的。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，用。一般小功率步進(jìn)電機(jī)采用單片機(jī)和專用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)來聯(lián)合工作，單片。機(jī)產(chǎn)生脈沖來控制開啟、正反轉(zhuǎn)和變速等。專用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)呈環(huán)形分配脈沖及。這種控制方式成本低，體積小，簡單易于實(shí)現(xiàn)。所以研制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)。動(dòng)器及控制系統(tǒng)具有十分重要的意義?；駻，其它至少為C；及格-四項(xiàng)B或A，其它至少為D；不及格-4項(xiàng)為E。

　　

【正文】 中斷 1 輸入 T0（定時(shí)器 0 的外部輸入） T1（定時(shí)器 1 的外部輸出） （片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 “寫 ”選通控制輸出） （片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 “讀 ”選通控制輸出） 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 總體結(jié)構(gòu) 圖 43 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 實(shí)時(shí)控制 錄入程序 方向設(shè)定 電源 驅(qū)動(dòng)電路及有關(guān)芯片 M 供電 供電 供電 計(jì) 算機(jī) 單片機(jī) 按鈕 驅(qū)動(dòng) 速度設(shè)定 山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 本系統(tǒng)用計(jì)算機(jī)給定步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向，速度和變速變向的控制，通過數(shù)據(jù)串口將這些參數(shù)和控制程序燒錄（ PROGRAM） 到單片機(jī)中，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路，將按鈕和單片機(jī)的控制信號(hào)，輸入到步進(jìn)電機(jī)中，以實(shí)現(xiàn)控制步進(jìn)電機(jī)的速度以及方向的目的。電源和變壓整流電路使得單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)芯片在安全穩(wěn)定的直流高電平下，持續(xù)穩(wěn)定的正常工作。 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)原理 本節(jié)按照步進(jìn)電機(jī)輸入信號(hào)要求，控制信號(hào)功率的放大，單片機(jī)控制信號(hào)的輸出和編程的順 序分析介紹其工作過程。 步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào) 圖 44 28YBJ48 型步進(jìn)電機(jī) 接線指示圖 表 42 步進(jìn)電機(jī)輸入信號(hào)分布表 連線序號(hào) 導(dǎo)線顏色 分配順序 1 2 3 4 5 紅 + + + + 4 橙 + + 3 黃 + + 2 粉 + + 1 藍(lán) + + 28YBJ48 型步進(jìn)電機(jī) 接內(nèi)部共有四相線圈， 如圖 44 所示， 其中 Vcc 端共接在一起，為紅線。藍(lán)、粉、黃、橙依次為四相線圈的控 制信號(hào)輸入端。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)選橙 4 黃 3 粉 2 藍(lán) 1 紅 5 M 山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 用了單片機(jī)的雙四拍運(yùn)行時(shí)序，鑒于方便編程和闡述的考慮，所以使得其通電線圈按照時(shí)序依次為：藍(lán)粉、粉黃、黃橙、橙藍(lán)。其輸入信號(hào)分布如表 42 所示。按照這個(gè)時(shí)序，在一定的頻率下，步進(jìn)電機(jī)就能夠穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)了。 驅(qū)動(dòng)芯片應(yīng)用 因?yàn)閱纹瑱C(jī) I/O 接口的輸出的功率比較小，輸出的信號(hào)也很不穩(wěn)定，所以單片機(jī)不能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，必須通過在單片機(jī) I/O 接口的下方接功率驅(qū)動(dòng)單元的方法來完成。依據(jù)前文所述，本設(shè)計(jì)用到了 ULN2020a 驅(qū)動(dòng)芯片，它具有放大信號(hào)和信號(hào)反相的功能。 圖 45 ULN2020 電路圖（含負(fù)載） 在本文中，達(dá)林頓管放大倍數(shù)是兩個(gè)三極管放大倍數(shù)的乘積，能達(dá)到相當(dāng)明顯的功率放大效果。步進(jìn)電機(jī)的某一相線圈就是負(fù)載，當(dāng)輸入的信號(hào)是高電平，步進(jìn)電機(jī)的線圈中就會(huì)有電流的產(chǎn)生；當(dāng)輸入的信號(hào)是低電平，信號(hào)輸出端（負(fù)載左端）就是高電平，在負(fù)載中沒有產(chǎn)生電流，進(jìn)而導(dǎo)致與之相連的步進(jìn)電機(jī)線圈將不工作。 綜上所述，將單片機(jī)四個(gè) I/O 接口與 ULN2020a 輸入接口相連接，就能夠起到控制步進(jìn)電機(jī)的信號(hào)放大反相的作用，使得步進(jìn)電機(jī)正常工作。 單片機(jī)控制信號(hào)的輸出和編程 山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 片機(jī)輸出信號(hào)分布 當(dāng)輸出接口為 ，對應(yīng)導(dǎo)線顏色是藍(lán)，步進(jìn)電機(jī)正常工作的分配順序是一對應(yīng) 1，對應(yīng)的 16 進(jìn)制數(shù)是 0xF3。二對應(yīng) 0，對應(yīng)的 16 進(jìn)制數(shù)是 0xF6。三對應(yīng) 0，對應(yīng)的 16 進(jìn)制數(shù)是 0xFc。四對應(yīng) 1，對應(yīng)的 16 進(jìn)制數(shù)是 0xF9。 當(dāng)輸出接口為 ，對應(yīng)導(dǎo)線顏色是粉，步進(jìn)電機(jī)正常工作的分配順序是一對應(yīng) 1，對應(yīng)的 16 進(jìn)制數(shù)是 0xF3。二對應(yīng) 1，對應(yīng)的 16 進(jìn)制數(shù)是 0xF6。三對應(yīng) 0，對應(yīng)的 16 進(jìn)制數(shù)是 0xFc。四對應(yīng) 0，對應(yīng)的 16 進(jìn)制數(shù)是 0xF9。 當(dāng)輸出接口為 ，對應(yīng)導(dǎo)線顏色是黃，步進(jìn)電機(jī)正 常工作的分配順序是一對應(yīng) 0，對應(yīng)的 16 進(jìn)制數(shù)是 0xF3。二對應(yīng) 1，對應(yīng)的 16 進(jìn)制數(shù)是 0xF6。三對應(yīng) 1，對應(yīng)的 16 進(jìn)制數(shù)是 0xFc。四對應(yīng) 0，對應(yīng)的 16 進(jìn)制數(shù)是 0xF9。 當(dāng)輸出接口為 ，對應(yīng)導(dǎo)線顏色是橙，步進(jìn)電機(jī)正常工作的分配順序是一對應(yīng) 0，對應(yīng)的 16 進(jìn)制數(shù)是 0xF3。二對應(yīng) 0，對應(yīng)的 16 進(jìn)制數(shù)是 0xF6。三對應(yīng) 1，對應(yīng)的 16 進(jìn)制數(shù)是 0xFc。四對應(yīng) 1，對應(yīng)的 16 進(jìn)制數(shù)是 0xF9。 通過以上輸出信號(hào)的介紹，其系統(tǒng)流程圖為 圖 46 驅(qū)動(dòng)程序流程圖 C 語言程序編寫為： 供電 斷電 反向 減速 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) FR 按鍵是否按下 開始 slow 按鍵是否按下 fast 按鍵是否按下 結(jié)束 加速 山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 include sbit FR=P1^0。 /*定義端口 對應(yīng)著步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制按鈕 */ sbit slow=P1^1。 /*定義端口 對應(yīng)步進(jìn)電機(jī)減速控制按鈕 */ sbit fast=P1^2。 /*定義端口 對應(yīng)步進(jìn)電機(jī)加速控制按鈕 */ int p。 /*定義 p 為延時(shí)常數(shù) */ void delay(int t) /*定義延時(shí)函數(shù) delay*/ { int k。 int i。 for(i=0。it。i++) for(k=0。k10。k++)。 } void main()/*主函數(shù) */ { P0=0x00。 /*初始化 P0*/ FR=1。 /*初始化轉(zhuǎn)向?yàn)檎?*/ p=50。 /*初始化延時(shí)常數(shù) P*/ while(1) /*進(jìn)入旋轉(zhuǎn)信號(hào)輸出循環(huán) */ { if(FR==1) /*正向旋轉(zhuǎn) */ { P2=0xF3。 delay(p)。 P2=0xF6。 delay(p)。 P2=0xFc。 delay(p)。 P2=0xF9。 山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 delay(p)。 if(slow==0) /*按下按鈕 slow 電機(jī)減速 */ {delay(1000)。 /*減速按鍵防抖 */ if(slow==0) p=p+5。 } if(fast==0) /*按下按鈕 fast 電機(jī)加速 */ {delay(1000)。 /*減速按鍵防抖 */ if(fast==0) p=p5。 if(p=0) /*限制 p 為正整數(shù) */ p=5。} } else/*當(dāng)長按下按鈕 FR 時(shí)步進(jìn)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng) */ { P2=0xF3。 delay(p)。 P2=0xF9。 delay(p)。 P2=0xFc。 delay(p)。 P2=0xF6。 delay(p)。 } } } 此程序的簡介：當(dāng)系統(tǒng)供電后，單片機(jī)就會(huì)開始正常工作，輸出控制信號(hào)。步山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 26 進(jìn)電機(jī)將會(huì)以設(shè)定的轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)向運(yùn)轉(zhuǎn)。 長按下按鍵 FR 后，電機(jī)就會(huì)反相旋轉(zhuǎn)。 按下按鍵 fast 后，步進(jìn)電機(jī)加速運(yùn)轉(zhuǎn)。 按下按鍵 slow 后，步進(jìn)電機(jī)減速運(yùn)轉(zhuǎn)。 電路結(jié)構(gòu)及工作原理 根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路，本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)過程如下圖 47 所示：電路供電后，單片機(jī)開始正常運(yùn) 行，已經(jīng)燒錄至單片機(jī)內(nèi)的程序開始運(yùn)行。因?yàn)榭刂菩盘?hào)的輸出方式在程序中已經(jīng)設(shè)計(jì)好，單片機(jī)將按照此方式輸出控制信號(hào)到 ULN2020a。 圖 47 總電路原理圖 控制信號(hào)在 ULN2020a 芯片中進(jìn)行信號(hào)反相，功率放大，之后，從 ULN2020a芯片的輸出接口輸出，控制信號(hào)到達(dá)步進(jìn)電機(jī)，收到控制信號(hào)的步進(jìn)電機(jī)就會(huì)開始工作。 山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 27 在此過程中，實(shí)現(xiàn)了按鍵開關(guān)對步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向，速度的實(shí)時(shí)控制。具體如下： 長按 FR 開關(guān)后，步進(jìn)電機(jī)將反方向轉(zhuǎn)動(dòng)；松開 FR 開關(guān)后，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)。 按下 slow 開關(guān)，步進(jìn)電機(jī)減速；按下 fast 開關(guān) ，步進(jìn)電機(jī)加速。 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路原理圖電路元件作用說明： 電阻 R1 參數(shù)； 10K,作用：提供復(fù)位電平 電阻 R2， R3， R4 參數(shù)； 10K,作用；限流 極性電容參數(shù)： 10uF，作用：提供復(fù)位電流 按鍵開關(guān) FR：控制電機(jī)正反轉(zhuǎn) 按鍵開關(guān) fast：控制電機(jī)加速 按鍵開關(guān) slow：控制電機(jī)減速 電容 C1， C2 參數(shù)： 30pF，作用：增大晶振的穩(wěn)定性能和抗干擾能力 晶振參數(shù)： 12MHz ， 作用：為單片機(jī)提供工作頻率 電阻 R5， R6， R7， R8 參數(shù)： 10K ，作用：上拉電阻 單片機(jī) 80C51 作用：輸出控制信號(hào)，接收控制信號(hào) 電阻 R9， R10， R11， R12 參數(shù)： ,作用：分壓保護(hù)步進(jìn)電機(jī) 芯片 ULN2020a 作用：為步進(jìn)電機(jī)提供穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)信號(hào) 接 Vcc 接 Gnd 80C51 步進(jìn)電機(jī) ULN2020A 12MHz 晶振 復(fù)位電路 復(fù)位開關(guān) 山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 28 圖 48 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)際電路 按鍵開關(guān)部分 如圖 49 所示，本次設(shè)計(jì)選用的是單片機(jī)的 P1 口來控制信號(hào)的輸入，即三個(gè)按鍵開關(guān)線路分別與單片機(jī) ， ， 管腳相連接起來，在常態(tài)下，三個(gè)管腳為高電平。根據(jù)程序，對輸出信號(hào)進(jìn)行控制，當(dāng)按鍵開關(guān)按下時(shí)，單片機(jī)檢測到這三個(gè)管腳為低電平。 圖 49 按鍵開關(guān)部分 驅(qū)動(dòng)芯片部分 如圖 410 所示， 該部 分設(shè)計(jì)選用的是單片機(jī)的 P2 口， 輸入端分別連接 ， ， 管腳。輸出分別與步進(jìn)電機(jī)藍(lán)，粉，黃，橙導(dǎo)線相連接。為了避免負(fù)載過大，所以加上了 5 個(gè)阻值為 10K 的上拉電阻。 圖 410 驅(qū)動(dòng)芯片部分 山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 29 5 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)試 作為單片機(jī)，步進(jìn)電機(jī)等相關(guān)內(nèi)容的初學(xué)者，在平時(shí)學(xué)習(xí)過程中有關(guān)實(shí)際電路連接的實(shí)習(xí)較少，動(dòng)手操作能力不足，在實(shí)際操作中難免會(huì)有一些錯(cuò)誤出現(xiàn)，導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常運(yùn)作。因此，當(dāng)在系統(tǒng)供電前，系統(tǒng)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，對系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)試就是必不可少的。調(diào)試步驟如下： 供電前應(yīng)用萬 用表檢查： 1. 按照原理圖檢查線路是否存在短路，短路。 2. 按照原理圖檢查極性電容等記性元件的正負(fù)極是否反接。 3. 按照原理圖檢查按鍵開關(guān)是否有錯(cuò)誤。 供電前，確定步進(jìn)電機(jī)的使用方法，和控制模式。這是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是確定軟件是否能控制步進(jìn)電機(jī)思路的開始。將單片機(jī)嵌入工作電路，供電后，使用萬用表測量單片機(jī)各個(gè) I/O 接口的高低電平是否和定義一致，一致就說明單片機(jī)工作正常。 將單片機(jī)調(diào)試正常后，在工作電路供電的時(shí)，檢測 ULN2020a 與單片機(jī)相連的四個(gè)管腳電平以及相應(yīng)的輸出管腳的電平。若輸入輸出電平都與測試程序相符，表明 ULN2020a 芯片工作正常。 若單片機(jī)工作正常，但與 ULN2020a 相連的單片機(jī)管腳電壓過低，原因是ULN2020a 芯片的負(fù)載過大，就考慮需要加上拉電阻，達(dá)到增加芯片的驅(qū)動(dòng)能力的目的。 山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 30 6 結(jié)論 本文選用了 80C51 單片機(jī)和 28YBJ48 型 步進(jìn)電機(jī)及 ULN2020a 驅(qū)動(dòng)芯片，構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和加減速的控制，主要工作如下： 1．熟悉步進(jìn)電機(jī)參數(shù)，特性，工作原理，以及在其使用過程中應(yīng)該注意的事項(xiàng)。 2．掌握單片機(jī)的工作原理，了解運(yùn)用 C 語言的編程方法 3．查找步 進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方案，分析比較各種驅(qū)動(dòng)方案，選取恰當(dāng)可行的驅(qū)動(dòng)方式。 4．按照所選取的驅(qū)動(dòng)方式，選取的元器件，繪制出電路圖，并調(diào)試電路，排除故障，讓實(shí)際電路按照電路圖工作，并能夠完成步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制和加減速功能。 5．詳細(xì)說明電路中各個(gè)部分的功能。 基于單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的性能大大地優(yōu)于傳統(tǒng)的步進(jìn)控制器，集反應(yīng)快，控制方便準(zhǔn)確等一系列優(yōu)點(diǎn)于一身，在機(jī)電一體化、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、自動(dòng)記錄儀、鐘表、印刷設(shè)備等領(lǐng)域中得到相當(dāng)廣泛地應(yīng)用，發(fā)展前景十分廣闊。 本方案有以下優(yōu)點(diǎn)： (1)通過單片機(jī)軟件的編程，使 復(fù)雜的控制過程達(dá)到自動(dòng)控制和精確控制的目的，避免了產(chǎn)生失步、振蕩等對控制精度有所影響； （ 2）操作容易，占用 CPU 時(shí)間少，效率高； （ 3）本次設(shè)計(jì)過程考慮全面周到，運(yùn)用了 ULN2020a 驅(qū)動(dòng)電路，靈活實(shí)用的控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，可以滿足不同用戶的需求。 （ 4）通過單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，簡化了電路，降低了成本，經(jīng)濟(jì)實(shí)用 通過本課題，在歷時(shí)一個(gè)學(xué)期的時(shí)間里，我通過查閱各種資料，了解了 80C51單片機(jī)控制的一些基本技術(shù)